Коммутационные схемы на диодах: от логических гейтов к аналоговому управлению

Диоды — универсальные компоненты, способные работать как быстрые ключи как в цифровой, так и в аналоговой областях. Смещая диод прямо или обратным образом, он переключается между низкоомным путем (прямое) и разомкнутой цепью (обратное), позволяя выполнять логические функции, обеспечивать резервное питание и управлять RF резонаторами.

Цифровая логика на диодах

Исторически диодная логика легла в основу ранних вычислительных машин. Хотя современные процессоры используют CMOS логику, диоды всё ещё служат учебными инструментами и в нишевых применениях, где желательно минимальное число гейтов.

И-гейт (AND)

Диаграмма показывает двухвходовый И-гейт. Каждый вход либо высокий (≈10 В, логика 1), либо низкий (0 В, логика 0). Последовательный резистор питает выход Y. Когда оба входа высокие, выход остаётся на V+ потому что резистор доминирует. Если любой вход тянет свой катод к земле, выход падает до ~0,7 В — прямого падения диода. Таблица истинности на сопровождающем рисунке подтверждает логическое И: только при A=1 и B=1 Y остаётся высоким.

ИЛИ-гейт (OR)

Двухвходовый ИЛИ-гейт использует пару диодов, подключённых к общему выходу. Когда оба входа низкие, резистор тянет Y вниз. Если любой вход высокий, его диод проводит, поднимая Y к напряжению питания. Таблица истинности иллюстрирует: любой высокий вход даёт высокий выход.

Рисунок (d) демонстрирует распространённое реальное применение: резервная батарея ИЛИ-соединённая с сетевым питанием. Последовательные диоды защищают батарею от переразряда и предотвращают обратное питание при наличии сети. При отключении питания батарея автоматически запитывает нагрузку.

Аналоговое переключение диодами

Обратным смещением диоды ведут себя как разомкнутые цепи, а при прямом — предлагают низкое сопротивление, делая их подходящими для коммутации AC сигналов без воздействия на DC линии управления. Следующая резонаторная сеть иллюстрирует этот принцип.

В этой установке параллельный LC резонатор связан с набором коммутируемых конденсаторов. Каждый конденсатор выбирается цифровой линией управления, прямо смещающей ассоциированный диод. Когда линия управления низкая (+5 В через RF дроссель и диод), конденсатор подключается параллельно, снижая резонансную частоту. При всех высоких линиях управления конденсаторы не задействованы. RF дроссель и большой разделительный конденсатор изолируют RF путь от схемы управления, предотвращая AC утечку.

На очень высоких частотах паразитная ёмкость обратным смещением диодов может стать значительной; PIN диоды часто используют вместо них для достижения более низкой ёмкости и более высокой изоляции.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

• Рабочий лист: Базовые логические гейты